内燃机的平衡.ppt

内燃机的平衡 2 一 概述 1 研究平衡的目的 1 分析各种结构机型内燃机的平衡性能 为设计选型提供预测和依据 2 寻求改善内燃机平衡状态的措施 如采用适当的气缸数 曲柄排列和曲柄布置方案 在曲轴上设置平衡重 采用专门的平衡机构等 2 平衡的定义完全平衡的内燃机通常指没有累积的应力造成内燃机的振动或摇摆 3 一 概述 3 平衡的分类内燃机的平衡通常分为外部平衡和内部平衡两种类型 1 当假设曲轴和机体为绝对刚体来分析惯性力及其力矩对外作用的情况时 内燃机的平衡称为外部平衡 2 当考虑曲轴和集体为弹性体时 由于曲轴和机体承受惯性力及其力矩后产生周期性变形 此时及时内燃机已达到完全的外部平衡 但变形的结果仍有一部分力和力矩会传到机座 引起内燃机整机振动并向机外传递 内燃机的这种平衡称为内部平衡 通常所谓的内燃机平衡是指外部平衡 因为外部平衡不良所引起的振动问题要严重和复杂得多 4 二 单缸机内燃机的平衡 单缸机的振动力源 离心惯性力 往复惯性力1 离心惯性力Pr单缸内燃机的总旋转惯性力Pr 是由曲柄不平衡质量和连杆换算到大头处的质量之和mr所产生的离心力 其值为 该离心力的作用线与曲柄重合 方向背离曲轴中心 因此 只需在曲柄的对方装上平衡重 使其所产生的离心力与原有的总旋转惯性力大小相等 方向相反 即可将其平衡 通常 平衡重配置两块 每个曲柄臂上各一块 这样可以是曲轴及轴承的载荷状况较好 所加平衡重的大小mB可由下式决定 5 单缸机离心惯性力的平衡 从上式可知 为了减轻平衡重质量并充分利用曲轴箱空间 可尽量使平衡重的质心远离曲轴中心线 这对减少内燃机重量有利 但为安置平衡重而去加大曲轴箱尺寸也是不明智的 所以通常是使rB等于或略小于曲柄半径R 并把平衡重设计成扇形或月牙形 以便其质心尽量外移 rB值尽量增大 6 下图是常用平衡重的外形结构 在多缸机中 有时由于某种曲柄排列型式使合成离心惯性力矩的方向产生一定偏角 因而需要把平衡重偏置一定角度 二 单缸机内燃机的平衡 7 2 往复惯性力按活塞加速度近似式 往复惯性力可写成一次往复惯性力可以表示为二次往复惯性力可以表示为往复惯性力作用方向沿着汽缸中心线 向上为负 向下为正 二 单缸机内燃机的平衡 因此往复惯性力PjI 或PjII 可看成两个以角速度 或2 朝相反方向旋转的矢量C 2 或 C 2 之和 这两个矢量分别称为正转矢量 AI或AII 和反转矢量 BI或BII 两个矢量重合位置与气缸中心线平行 亦即往复惯性力可以分别转换成两个离心力 两个质量mj 2 或1 2 mj 4 在半径R处以角速度 或2 朝相反方向转动所产生的离心力 二 单缸机内燃机的平衡 由以上分析可以看出 可以用与平衡离心惯性力同样的方法来平衡往复惯性力 只要设计的平衡机构产生的离心惯性力矢量分别与上述正反转矢量大小相等 方向相反即可 二 单缸机内燃机的平衡 3 双轴平衡机构单缸机单轴平衡机构如下图 其中 平衡一次往复惯性力所加平衡块质量m1 平衡二次往复惯性力所加平衡块质量m2 采用这种方法一 二次往复惯性力都能得到平衡 缺点是结构相当复杂 不很实用 只在缸径较大的单缸机或单缸实验机中采用 且常常只限于平衡一阶惯性力PjI 一般不考虑PjII的平衡问题 二 单缸机内燃机的平衡 a 双轴平衡机构简图 二 单缸机内燃机的平衡 对于缸径不大的单缸机 有时为了结构简化 常省去一根与曲轴同旋向的平衡轴 而采用如图 b 所示的单轴平衡机构 采用单轴平衡机构时 一阶往复惯性力也得到了平衡 但破坏了平衡机构的对称性 与双轴平衡机构相比 又产生了一个附加力矩 二 单缸机内燃机的平衡 4 单轴平衡机构 M随 变化 设计时要求ex ey尽可能小 实际上 上式中 令 则可见 ex ey小 则M随 变化时 波幅小 为常数 二 单缸机内燃机的平衡 二 单缸机内燃机的平衡 5 过量平衡法在缸径更小的单缸机中 为了使结构尽可能简单 常常连单轴平衡机构也省略 而采用所谓的过量平衡法 此时曲柄上除了有平衡mr的平衡块质量外 还要多加一过量的平衡质量 mj 使其产生过量的离心力 C 0 1 称为过量平衡率 如下图 c 所示 二 单缸机内燃机的平衡 离心力 C与一阶往复惯性力PjI的合力R在x y轴上的投影由以上两式中消去 得 可以看出合力R的矢端轨迹是一个椭圆 当 1 2时 合力矢端轨迹变为半径为C 2的圆 即R C 2的数值不变 不过与曲柄反向旋转 过量平衡法实质上是一阶往复惯性力的转移法 即把一阶往复惯性力的一部分转移到与之垂直的平面内 至于转移数量的大小 则要根据具体发动机在垂直与水平两个方向的刚度或吸振能力而定 一般总是希望较大的惯性力作用在发动机刚度较大的方向或吸振能力较好的方向 大小可根据实验确定 通常 0 3 0 5 二 单缸机内燃机的平衡 单列式多缸机 各个气缸的平面力系组成了一个空间力系 因此除了有各种合成惯性力外 还有合成惯性力矩 因此 单列式多缸机振动力源主要有 1 多缸合成离心惯性力 Pr2 多缸合成离心惯性力矩 Mr3 多缸合成往复惯性力 PjI4 多缸合成往复惯性力矩 Mj5 总倾覆力矩Md PTR其中前四种为振动的主要因素 需采取措施予以平衡 总倾覆力矩是总输出力矩的反扭矩 难于消除其波动 只能通过增加缸数 使发火间隔均匀等措施来减小总输出力矩的谐波分量 三 四缸内燃机的平衡 1 多缸合成离心惯性力及离心惯性力矩对于曲柄均匀布置或对称分布的多缸机 Pr 0 但 Mr有可能不平衡 其在纵向垂直平面内和水平平面内的分力矩的大小和方向都将是变化着的 为计算简便 取水平方向和垂直方向为x y坐标系 先将离心惯性力分解 水平方向 垂直方向 可以看出 分解后垂直平面内的平面力系与一次往复惯性力相同 因此相应的力矩可与往复惯性力矩相同的方法列出 垂直分力力矩 三 四缸内燃机的平衡 水平平面内的分力矩可用类似的方式写出 水平分力力矩 注 垂直分力力矩与一次往复惯性力力矩 MjI的变化性质 公式 计算方法都相同 只是mj换成了mr Mry取最大时 Mrx取最小 反之亦然 且 Mr大小不变 方向同第一曲柄成一定相位关系 并随曲柄的回转而转动 三 四缸内燃机的平衡 2 多缸合成往复惯性力与惯性力矩由于各缸往复惯性力是平行力系 故可直接求代数和 三 四缸内燃机的平衡 1 2 Z为各曲柄与第一曲柄间的夹角 合成往复惯性力矩 Mj是各缸往复惯性力对发动机质心所形成的力矩和 故对单列式多缸机一 二次往复惯性力矩可分别写成 式中 l1 l2 lZ为曲轴纵向平面上各气缸中心到发动机质心的距离 三 四缸内燃机的平衡 3 直列四缸机举例分析 三 四缸内燃机的平衡 1 旋转惯性力的合力 其在汽缸中心线方向的投影为 在垂直于汽缸中心线方向的投影为 旋转惯性力的合力为 2 一次往复惯性力的合力为 3 二次往复惯性力的合力为 三 四缸内燃机的平衡 4 旋转惯性力矩为 可知旋转惯性力矩已经平衡 5 一次往复惯性力矩为 一次惯性力矩已经平衡 三 多缸内燃机的平衡 6 二次往复惯性力矩为 一次惯性力矩已经平衡 由以上可知 在四冲程四缸机中 除了二次惯性力外 其他的惯性力与惯性力矩都已平衡 但为了减小曲轴的内力矩 减轻轴承载荷 有的内燃机仍装设平衡重 当然 在加装平衡重后 不应破坏原有的平衡状况 三 四缸内燃机的平衡 4 内燃机内平衡分析以上分析都是对内燃机外平衡分析 基于假定曲轴为绝对刚体 但实际上曲轴在弯曲力矩作用下 总会产生变形 若受力及变形较大 会将一部分分力 力矩 传到机体上 引起机体变形 影响轴承载荷 发动机产生振动 曲轴和机体的变形破坏了平衡 从而影响到发动机运转的平稳性 特别在高速机的设计过程中 除主要研究外平衡特性外 尚需研究发动机的内平衡问题 采用不同的曲柄排列形式 曲轴及机体上所受的弯矩也将不同 当某种曲柄排列具有最小的作用弯矩时 则认为发动机的内平衡性能良好 计算分析内燃机的内平衡性能时 目前一般只考虑离心惯性力在曲轴上形成的弯曲力矩 内力矩